Università degli Studi di Roma Tor Vergata Gruppo Tecnologie e Sistemi di Lavorazione SCHIUME METALLICHE:TECNOLOGIE DI PRODUZIONE, CARATTERISTICHE ED

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1 SCHIUME METALLICHE:TECNOLOGIE DI PRODUZIONE, CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI

2 Strutture Cellulari Metalliche (SCM) in in miscele gassose miscele gassose Hydro Aluminium, Norway nebbie schiume nebbie schiume fumi emulsioni fumi solidi cellulari emulsioni solidi cellulari fanghi gel fanghi gel particelle inglobate particelle inglobate

3 Le schiume metalliche I metalli cellulari a celle chiuse ed aperte stanno conquistando un grande interesse per via dell unicità delle loro applicazioni nelle tecnologie più disparate. Essi combinano in un unico elemento interessanti proprietà. Caratteristiche: Bassa densità Elevata resistenza specifica Resilienza (protezione contro gli urti) Interessanti proprietà di scambio termico (scambiatori di calore) Assorbimento acustico

4 Processi di produzione

5 Processi di produzione

6 Processo CYMAT ALCAN E NORSK HYDRO

7 Processi di produzione

8 Processo espansione da semisolido

9 Processo a stampo chiuso - Semisolido Una polvere metallica (Al) e un agente schiumante (TiH2) vengono miscelati e successivamente compattati con l obiettivo di ottenere un precursore destinato al trattamento termico Il precursore ottenuto viene riscaldato in forno fino alla temperatura di fusione precursore

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11 Il processo in stampo chiuso Parametri di processo: quantità di agente schiumante, TiH 2 quantità di stabilizzante, SiC temperatura di trattamento, T tempo di permanenza in forno, t f pressione di compattazione, p = 400 MPa fissata fattori = 4 livelli = 4 % TiH 2 % SiC T ( C) t f (min) I II III IV

12 Effetti dell agente schiumante

13 Analisi dei risultati Analisi ANOM: MEP IP Main Effect Plot T = 750 C t f = 8 min. TiH 2 = 1% SiC non influisce su ε

14 Effetti dei parametri di processo fattori = 3 livelli = 5 Pressione (MPa) Tempo (min.) Temperatura ( C ) I II III IV V % TiH 2 fissato repliche = 4

15 Mappe di processo: effetti della pressione e della temperatura

16 Modellazione degli andamenti sperimentali Multiple regression analysis E stata condotta un analisi di regressione multipla per trovare il modello matematico migliore per il processo di schiumatura dell alluminio. modello generico r = y f, f, f, ) ( f4 espresso in forma non lineare r = kf α β γ δ 1 f2 f3 f4 Relazione analitica r = 8.77T tf TiH 2 SiC 0.587

17 9 Effetto della composizione 6 1 cm %SiC %TiH 2

18 Effetto della composizione sulla distribuzione del diametro equivalente 9 6 %SiC %TiH 2

19 Esempi di componenti in schiuma di alluminio Stampo CAD Componente

20 Altre applicazioni

21 Processi di schiumatura per replicazione Sistemi a celle aperte Preparazione del pattern materiale refrattario e resistente alla temperatura di fusione del metallo; dopo l infiltrazione deve esistere un percorso aperto per l evacuazione del pattern. Pattern possibili Continuos refractory (space holder for replication); Discontinuos refractory (pellets di sabbia da fonderia); Burnable (polistirene e resina); Leachable (dissolution processes).

22 Space holder for replication

23 Processi di schiumatura per replicazione Sistemi a celle aperte Infiltrazione Può avvenire in gravità o sotto l azione di una pressione addizionale. La pressione necessaria all avvio dell infiltazione può essere valutata attraverso questa formula empirica: P = 16 f /(1-f)D MPa f D volume di frazione solida diametro caratteristico

24 Processi di schiumatura per replicazione Sistemi a celle aperte Rimozione del pattern Può avvenire mediante getti d acqua ad alta pressione con assistenza o meno di ultrasuoni per sgretolare le particelle di sabbia Nel caso di polymer patterns questi possono essere rimossi mediante combusione in aria Per quanto riguarda i processi per dissoluzione si rimuove sfruttando la solubilità in acqua.

25 Processi di schiumatura per replicazione Sistemi a celle aperte

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27 Sistemi a celle aperte: Scambio termico Il trasporto di calore materiali estremamente porosi, quali le schiume metalliche a celle aperte è stato solo recentemente oggetto di studi. Si ritiene che tali materiali possano fornire dei vantaggi notevoli nel trasporto di calore. La motivazione si attribuisce all alto rapporto superficie - volume che caratterizza tali materiali e ad un miglioramento delle condizioni di scambio dovuto alla tortuosità presenti all interno di questi materiali

28 Scambio termico

29 Altre applicazioni Serbatoi azoto Filtri

30 Scambiatori di calore a confronto Radiatore ad alette classico Radiatore in schiuma metallica? Misura delle perdite di carico Misura dello scambio termico

31 Misura delle perdite di carico Provini in schiuma di tre differenti porosità 1. 10ppi (porosità grande) 2. 20ppi (porosità media) 3. 45ppi (porosità fine)

32 Misura delle perdite di carico Il diametro di ciascun provino è di 120mm e lo spessore è di 10mm per la schiuma a porosità fine e di 20mm per la schiuma a porosità media e grande Sistema per la misura delle perdite di carico velocita di prova: 0,5-5m/s spessori di prova con sovrapposizione di 1,2,3 dischi di schiuma

33 Misura delle perdite di carico Acquisizione delle misure e osservazione andamenti con l aumentare della velocità di prova, a parità di spessore del provino, l andamento della funzione p aumenta esponenzialmente. con l aumentare dello spessore, a parità di velocità di prova, l andamento della funzione p tende a shiftare verso l alto, proporzionalmente al valore della velocità. Al fine di ottenere un dato significativo si sono divisi i p calcolati alle diverse velocità di prova sono stati suddivisi per i relativi spessori di prova.

34 buona ripetibilità delle prove valori massimi di p/s registrati nel caso di schiuma a densità maggiore al di sotto di 1.5 m/s si hanno p/s <0.1mbar/cm I valori di perdita di carico per qualsiasi porosità presa in considerazione risultano all interno del range di velocità di prova considerevolmente bassi.

35 Le cadute di carico attraverso media porosi sono regolati dalla seguente relazione: Dove µ f viscosità dinamica dell aria 1.83*10-5 ρ densità dell aria 1.2 kg/m 3 F coefficiente di inerzia K permeabilità del mezzo Effettuando una regressione si ottiene: Materiale Diametro D 1, mm Porosità F, m -1 Permeabilità K, 10-8 m Al 10 PPI Al 20 PPI Al 45 PPI

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37 Misura dello scambio termico sono stati utilizzati 3 provini in schiuma per ciascuna porosità più un provino ad alette classico le dimensioni dei provini sono 100x25x1.2 mm 3 Sistema per la misura dello scambio termico per conduzione e convezione schiuma Aria Termocoppia

38 Curve di raffreddamento 1.5 m/s 1.5 m/s

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42 Fattore I II III Porosità 10 PPI 20 PPI 45 PPI Brasatura Velocità 3 5 Effetti principali

43 Interazioni e residui

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45 45

46 Altre applicazioni Serbatoi azoto Filtri

47 Dissolution & Sintering Process (DSP) I II III

48 Materiali Particelle di carbammide (produttore Aldrich Ltd, US) Polveri di alluminio (produttore Pometon Srl, Italy) grado 98% distr. media gran MS fattore di forma 0.95 grado 99.98% dim. media 10 µm fattore di forma 0.8 Formulazione del materiale: 1 g di polveri di alluminio, g di particelle di carbammide, 0.1 g di metiletilchetone.

49 Procedura Sperimentale Miscelazione: Mixer (Heidolph Rotavapor 4000) a 40 C e pressio ne ridotta (Chemat Technology KW-AVP). Compattazione: Stampo cilindrico (acciaio inox, diametro 10 mm) e pressatura (MTS Alliance RT/50) Dissoluzione: Bagno termostatato (Heidolph Rotavapor 4000): 70 C/1h Essiccazione: Stufa da vuoto (Binder model VD 23): 40 C Sinterizzazione: Forno convettivo (Proba VF1900): 540 C/1h in vuot o spinto

50 FE-SEM: Compattato Carbammide Alluminio

51 Università degli Studi di Roma Tor Vergata FE-SEM: Evacuato Struttura cellulare

52 Piano degli esperimenti fattoriale completo Experimental Levels

53 Test di caratterizzazione Deformazione L: somma della deformazione della SCM durante il tratto a comportamento elastoplastico e l extended plateau Energia assorbita E: area sottesa alla curva carico-spostamento lungo il tratto a comportamento elasto-plastico e l extended plateau

54 Output: Energia Assorbita E/E max Piano fattoriale completo: 4 fattori 3 livelli 5 serie N = 5 * 3 4 = 405 prove E range = ~ *10-3 J

55 MEP: Energia assorbita E/E max

56 Output: Deformazione L/ L max Piano fattoriale completo: 4 fattori 3 livelli 5 serie N = 5 * 3 4 = 405 prove L range = ~1-6mm

57 MEP: Deformazione L/ L max

58 IP: Energia assorbita E

59 IP: Deformazione L